Biologia: pierwiastki, komórka, fotosynteza i organizmy

Skład pierwiastkowy organizmów podaje się w przeliczeniu na suchą masę, bo woda stanowi zwykle większość masy komórki i zaciemniałaby proporcje. Według zawartości pierwiastki dzielimy na makroelementy i mikroelementy, ale o ich znaczeniu nie decyduje ilość - niedobór mikroelementu również zaburza funkcjonowanie organizmu.

Wśród makroelementów wyróżnia się sześć pierwiastków biogennych, z których zbudowane są związki organiczne. Kluczowy jest węgiel: tworzy cztery wiązania kowalencyjne, także z innymi atomami węgla, więc może budować łańcuchy, rozgałęzienia i pierścienie. Przykładem jest cysteina - aminokwas, w którym do szkieletu węglowego przyłączone są atomy wodoru, tlenu, azotu i siarki.

Inne pierwiastki pełnią role wyspecjalizowane: magnez jest atomem centralnym chlorofilu, żelazo wiąże tlen w hemoglobinie, wapń usztywnia kości i bierze udział w skurczu mięśni, a jod wchodzi w skład hormonów tarczycy.

Błonę opisuje model płynnej mozaiki: dwuwarstwa lipidowa jest płynnym tłem, w którym przemieszczają się białka. Fosfolipid to cząsteczka amfipatyczna - ma hydrofilową głowę z resztą fosforanową i dwa hydrofobowe ogony z reszt kwasów tłuszczowych. W wodzie takie cząsteczki same układają się w dwuwarstwę: hydrofilowe głowy zwracają się do wody, a hydrofobowe ogony chowają się we wnętrzu błony, odcięte od wody.

Płynność błony zależy od jej składu: kwasy tłuszczowe nienasycone mają zagięte ogony, które nie układają się ciasno, więc zwiększają płynność, a nasycone ją zmniejszają. W błonach komórek zwierzęcych płynność reguluje dodatkowo cholesterol.

Białka integralne mają część hydrofobową dokładnie w miejscu, w którym przechodzą przez wnętrze dwuwarstwy. Wśród białek transportujących wyróżnia się białka kanałowe, tworzące w błonie pory dla jonów i wody, oraz białka nośnikowe, które wiążą przenoszoną cząsteczkę i zmieniają przy tym kształt.

Jądro otacza otoczka jądrowa złożona z dwóch błon. Błona zewnętrzna przechodzi w błony siateczki śródplazmatycznej, a w miejscach porów obie błony łączą się ze sobą.

DNA z jednej komórki człowieka ma łącznie około dwóch metrów długości, dlatego musi być ciasno upakowane. Odcinki DNA nawinięte na kompleks białek histonowych tworzą nukleosomy, ułożone jak koraliki na nitce; nukleosomy skręcają się w grubsze włókno, a przed podziałem chromatyna kondensuje w widoczne pod mikroskopem chromosomy.

W jądrze niedzielącej się komórki chromatyna występuje w dwóch postaciach: euchromatyna jest luźna i zawiera geny, które mogą być odczytywane, a heterochromatyna jest silnie skondensowana i w większości nieaktywna.

Cykl komórkowy dzieli się na długą interfazę i krótką fazę podziału, na którą składają się mitoza (podział jądra) i cytokineza (podział cytoplazmy). Przed podziałem materiał genetyczny musi zostać podwojony, żeby każda komórka potomna otrzymała pełny zestaw informacji.

Przebieg mitozy:

• profaza - chromatyna kondensuje w chromosomy złożone z dwóch chromatyd, zanika otoczka jądrowa i tworzy się wrzeciono podziałowe;
• metafaza - chromosomy ustawiają się w płaszczyźnie równikowej komórki;
• anafaza - chromatydy siostrzane rozdzielają się i wędrują do przeciwnych biegunów;
• telofaza - chromosomy ulegają despiralizacji, a wokół nich odtwarzają się otoczki jądrowe.

Komórki, które przestają się dzielić, przechodzą w fazę G0; trwale pozostają w niej np. dojrzałe komórki nerwowe.

Reakcje zależne od światła zachodzą w błonach tylakoidów chloroplastu. Barwniki fotosystemu pochłaniają energię światła i przekazują ją do centrum reakcji, gdzie wzbudzona cząsteczka chlorofilu oddaje elektron.

Elektron wędruje przez łańcuch transportu elektronów, a jego przepływ napędza przepompowywanie protonów ze stromy do wnętrza tylakoidu. Protony uwalniane przy rozkładzie wody również zostają we wnętrzu tylakoidu, więc gromadzi się tam dużo jonów $\ce{H+}$.

Gradient protonowy jest źródłem energii dla syntazy ATP: protony wracają przez nią do stromy, a enzym wykorzystuje ten przepływ do przyłączania reszty fosforanowej do ADP. Ten sam mechanizm działa w mitochondriach podczas oddychania komórkowego.

Wirusy są pasożytami wewnątrzkomórkowymi bezwzględnymi: poza komórką gospodarza nie przeprowadzają żadnych procesów życiowych, a do namnażania wykorzystują jej rybosomy, enzymy i energię. Dlatego nie zalicza się ich do organizmów, a antybiotyki, działające na struktury bakterii, nie niszczą wirusów.

Materiałem genetycznym wirusa jest DNA albo RNA, nigdy oba naraz. Niektóre wirusy, np. wirus grypy, mają dodatkowo osłonkę lipidową pochodzącą z błony komórki gospodarza.

Bakteriofag namnaża się w cyklu litycznym, który kończy się rozpadem zakażonej bakterii. Część fagów może też wbudować swój DNA w chromosom bakterii i przez wiele pokoleń przekazywać go komórkom potomnym - to cykl lizogeniczny.

W mikoryzie każdy partner dostaje to, czego sam nie zdobędzie łatwo: roślina przekazuje grzybowi związki organiczne (głównie cukry) wytworzone w fotosyntezie, a cienkie strzępki grzyba docierają do drobnych porów gleby i dostarczają roślinie wodę oraz sole mineralne, zwłaszcza związki fosforu.

Susza fizjologiczna wynika z praw osmozy: woda przenika w stronę roztworu o wyższym stężeniu. Gdy roztwór glebowy jest bardziej stężony niż sok komórek korzenia, korzeń nie pobiera wody, a nawet może ją tracić. Zimą przeszkodą jest lód - woda zamarznięta jest dla rośliny niedostępna, choć pędy nadal ją wyparowują.

Rośliny przystosowują się do takich warunków, ograniczając transpirację: drzewa liściaste zrzucają liście na zimę, a szpilki drzew iglastych mają małą powierzchnię, grubą kutykulę i aparaty szparkowe zagłębione w skórce.

Z zygoty rozwija się wielokomórkowy zarodek, który przechodzi kolejne etapy. Po etapie blastuli następuje gastrulacja: część komórek wpukla się do wnętrza, tworząc jelito pierwotne, a jego otwór nazywamy pragębą (blastoporem).

Z listków zarodkowych powstają różne tkanki i narządy:

• ektoderma - naskórek i układ nerwowy,
• mezoderma - mięśnie, szkielet i układ krwionośny,
• endoderma - nabłonek przewodu pokarmowego i układu oddechowego.

Los pragęby dzieli zwierzęta trójwarstwowe na dwie grupy:

Szkarłupnie (np. rozgwiazdy, jeżowce) mają zwykle symetrię pięciopromienistą i szkielet z wapiennych płytek leżący pod naskórkiem. Ich symetria promienista jest wtórna, bo wywodzą się od zwierząt dwubocznie symetrycznych. Układ wodny (ambulakralny) łączy się ze środowiskiem przez sitowatą płytkę madreporową i kończy się nóżkami ambulakralnymi, które poruszane ciśnieniem płynu przyczepiają się do podłoża.